摘要：本文在詳細介紹了基于DSP（TMS320F2812）和專用控制集成芯片（MC33035）的基礎上,綜合運用了PID算法和濾波算法對無刷直流電機調速系統(tǒng)進行了研究，并給出了該控制系統(tǒng)的實際硬件電路設計和軟件控制策略。實驗結果表明,本控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控制算法合理、控制精度高,有著很強的應用推廣價值。
關鍵詞:無刷直流電機,DSP,TMS320F2812,MC33035
引言
無刷直流電動機從上世紀70年代末開始引起了從事電機及驅動系統(tǒng)學者的重視。電機的驅動控制結構有很多形式，近年來國外學者多集中于對直流電機的轉矩波動及其控制問題上進行研究。以單片機為核心組成的數字控制電路調速控制能力強，但只能實現系統(tǒng)的外環(huán)數字控制，而DSP則可以實現全數字化的控制。
TMS320C28x系列是TI公司最新推出的32位定點DSP芯片，它既具有數字信號處理能力，又具有強大的時間管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于大批量數據處理的測控場合[1]。
在無刷直流機速度控制系統(tǒng)中，為使調試者實時了解系統(tǒng)的運行信息，需實時采集電機轉速、電樞電流等信息，并進行數據分析和加工處理[2]�？刂七^程復雜，控制算法計算量較大，因此本系統(tǒng)選擇了數據處理能力較強的DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，再結合MC33035專用控制集成芯片，設計并制作了一個無刷直流電機調速器。
1 系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)針對的是高速無刷直流電機，原則上本系統(tǒng)對電機轉速的上限沒有限定，實驗時使用的電機最高轉速為5萬轉，電機功率為5kw。
系統(tǒng)設計時為方便用戶操作設計了通信和JOG（手動）兩種模式。通信模式使用戶在電腦前就可以方便地對電機進行操作，設置電機的最高轉速、加速度以及顯示電機當前的實際轉速等;而在沒有電腦時，用戶也可以通過JOG模式對電機進行鍵盤操作，用以設定電機的轉速。
資助基金：國家自然科學基金（70271001）
本系統(tǒng)設計控制的無刷直流電機采用霍爾元件作為位置反饋機制，從反饋的脈沖信號中獲得位置信息和轉速情況�？刂坪诵腄SP根據采集到的實際轉速，修正控制轉速，實現系統(tǒng)對電機轉速的閉環(huán)控制。此外，系統(tǒng)從電機的驅動器件IGBT處獲得電流信息。通過綜合這三個信息，使得整個電機調速系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地工作。
2 系統(tǒng)硬件設計
各部分之間信號線的連接通過光耦隔離，光耦兩端連接如圖3所示。這里采用的光耦是TLP521，它的隔離電壓是2500V。在本系統(tǒng)中，驅動部分的最高電壓是300V，2500V可以保證系統(tǒng)工作的絕對安全。圖3中光耦是按正邏輯連接的，即輸入1，輸出也是1。除TLP521外，在通信線的連接處使用了幾顆高速光耦6N127。
2.1控制部分
控制部分的核心器件是TMS320F2812，制作時使用了一塊ICETEK-2812-B板（帶有2812的DSP開發(fā)板），除帶DSP外，還有一顆電源管理芯片，將外接5V轉為3.3V為系統(tǒng)供電。
2812從電機處采集轉速、電流反饋信號和位置反饋信號，DSP綜合這三個信號輸出對外的控制信號。從驅動部分反饋的過流信號是一個0、1信號，DSP在工作時始終監(jiān)視這一信號，一旦監(jiān)視到1，即表示電機過載，則立即給出一個讓電機停止轉動的信號，以免損壞電機和調速器。
DSP輸出的轉速控制信號是一個數字量，用D/A將此數字量轉換成電壓量給MC33035用以調速。系統(tǒng)中選用了12位的串行D/A（TLV5616），后加一級放大（LM358），使輸出電壓可根據不同電機的要求進行放大。
TMS320F2812與PC間的通信是通過485總線完成的。在工業(yè)控制中，485總線應用非常普遍，傳輸距離遠而且性能穩(wěn)定，所以本系統(tǒng)選擇485總線進行傳輸。
2.2驅動部分
驅動部分的控制核心是MC33035，驅動器件是IR2183和IRGP50B60PD1。MC33035作為驅動部分的控制核心，根據電機霍爾反饋的位置信號，分辨出電機轉子的位置，以控制IGBT的開關。
雖然IGBT具有優(yōu)越的通態(tài)特性，但要將IGBT瞬間完全關斷仍不容易。調試時發(fā)現，IGBT關斷時的一點點毛刺，就會導致電機發(fā)熱甚至燒壞。這就要求在電路設計上采取相應的措施，如在IR2183輸出端與IGBT連接的地方串接一電阻等;在PCB布板走線時更要嚴格注意，布局要對稱。
電機轉速的調節(jié)是MC33035的11腳（誤差信號放大器同向輸入端）接受控制部分給出的控制電壓，根據此電壓的不同，內部產生脈寬調制（PWM）信號，控制3個下側驅動輸出，通過改變輸出脈沖寬度來改變IGBT導通時間的長短，從而調節(jié)電機的轉速。
2.3顯示部分
顯示部分的主控元件是AT89C51，顯示部分與驅動部分之間通過AT89C51和2812的串行口（即用通信方式）傳遞指令。同時顯示部分所需的5V電源由控制部分提供。
這里轉速的采集是用AT89C51的計數端去采集霍爾輸出的脈沖信號，將此信號換算成頻率后送七段數碼管顯示，在此AT89C51擔當了一個頻率計的功能。
系統(tǒng)讓用戶通過鍵盤輸入轉速，而不是通過電位器調節(jié)。因為電位器輸出的是一個模擬量，通過2812內部集成的A/D來采集這個電壓量時并不穩(wěn)定，會略微地漂移，這種略微的漂移會導致轉速較大的波動。為了避免這種波動，本系統(tǒng)使用了全數字量的鍵盤，AT89C51從鍵盤讀入數字量，然后將此量通過通信口傳給2812，以實現全數字無級調速控制。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計思想是通過不斷采集電機轉速，與給出的速度指令相比較后，利用PID算法，同時綜合濾波算法，不斷修正速度誤差，直到采集到的電機轉速與系統(tǒng)給定的轉速相同，程序就認為系統(tǒng)已經入鎖了。系統(tǒng)控制時始終監(jiān)視電機電流和位置反饋，一旦出現異常，就啟動相應的報警機制，并讓電機停止轉動。
實際速度的測量是程序每隔20ms從霍爾元件反饋處讀脈沖，讀到一個脈沖就記一轉，共采樣10次記一個周期，即程序統(tǒng)計200ms內的脈沖數來計算電機的實際轉速。
按照這種計算方法，系統(tǒng)產生的誤差是75轉/分，已完全滿足高速電機的誤差要求。
為了電機工作安全，系統(tǒng)除了設置過流保護外，還為用戶設置了電機最大速度越限報警，系統(tǒng)程序在工作時，會不斷與這個最大速度比較，一旦檢測到電機實際轉速超過用戶給定的最大轉速，立刻會超速報警，同時讓電機停止轉動。
控制部分與PC以及顯示部分的通信都采用以下的通信協(xié)議：
19200bps,8bit,1start,1stop,無奇偶校驗
此外，對于電機的冷卻裝置，系統(tǒng)預留了相應的信號接口，可根據實際需要，外接相應冷卻裝置，用以提高電機的安全性能。
4 系統(tǒng)操作界面
操作界面根據實際的操作需要，進行了人性化設計，并設計了速度監(jiān)測曲線，方便用戶觀察電機轉速的穩(wěn)定度。此外，用戶通過操作界面可以方便地進行參數設置和更改。
5 結論
本電機調速系統(tǒng)經實際測試，控制精度高、運行穩(wěn)定可靠，帶載時的控制精度也在75轉偏差內，與理論值接近，實際調試時進行過載及超速等實驗，系統(tǒng)反應靈敏，控制過程安全可靠。本系統(tǒng)使用了功能強大的DSP（TMS320F2812）芯片，系統(tǒng)擴展空間大，可根據實際應用需要進行擴展。
本文作者創(chuàng)新點：①本調速系統(tǒng)綜合了TMS32F812和MC33035;②電機轉速的人工輸入使用了全數字量的鍵盤;③控制系統(tǒng)用485總線與PC進行通信;④所有信號線的連接處用光耦完全隔離，使各部分之間不相互影響，保證工作的絕對安全。
